全染料系光刻膠在液晶顯示器中的應用

曾 婭，魏雄周，萬 彬，黎 敏，閔泰燁

(重慶京東方光電科技有限公司，重慶 400700)

1 引 言

隨著液晶顯示器產品的不斷更新換代，液晶顯示器行業競爭日趨激烈，目前顯示器主要朝著高屏占比、窄邊框、高色域、高分辨率、超薄、超輕、超低功耗、超長待機等方向發展。而筆記本電腦低功耗產品已經成為高端筆記本廠商的主要競爭領域[1]，為了實現低功耗，需要產品具有較高的透過率。目前多采用價格昂貴的KSF 粉背光源搭配業內現有彩膜光刻膠，實現提升透過率的目的，但是該方案存在色溫偏下限，白點有超出客戶規格的風險，且KSF粉成本高昂，受限較大。

光刻膠是一種通過光化學反應，材料特性發生轉變的材料。在液晶顯示領域通過曝光、顯影、刻蝕、熱烘等工藝，把掩模板上的圖案通過光刻膠轉移到玻璃基板上，留下設計圖案[2-3]。光刻膠通常分為正性光刻膠和負性光刻膠，彩膜基板使用的光刻膠一般是負性光刻膠，通過遠紫外光照射并用堿性溶液顯影后，形成與掩膜板圖案相反的圖形。

提高彩膜光刻膠材料的透過率、色度、對比度是負性光刻膠行業內的主要發展方向[4]。彩膜光刻膠主要由紅、綠、藍三色組成，業內紅色光刻膠發展較為緩慢，困難較大，目前仍采用全顏料材料進行研發和生產；綠色材料正在逐步出現顏料和部分染料混合的材料，目前該混合材料正處于試產階段；藍色材料由顏料和染料混合生產，在液晶顯示屏供應鏈中已量產多年，目前正處于朝著全染料的方向發展，全染料材料[5]在業內處于量產初期。

目前，行業內的TFT-LCD產品藍色光刻膠均采用顏料系(Pigment)或染料和顏料混合系(Hybrid)材料生產。而顏料系或染料和顏料混合系材料粒子直徑一般為20～100 nm，是懸浮分散在有機溶劑中，通過曝光、顯影和熱烘技術后，穩定地存在于TFT-LCD彩色濾光片上。彩色濾光片通過吸收和透過背光發出來的光，最終進入人眼，實現顯示器的色彩可視化。彩色濾光片阻隔了大部分的背光光線，對產品的透過率影響巨大。

2 原理性分析

2.1 透過率提升分析

圖1為全染料系(All Dye Blue)材料、染料和顏料混合系(Hybrid Blue)材料、全顏料系(Pigment Blue)材料3種材料分別制備的彩色濾光膜的透過率對比圖。其中，藍色可見光主要的波長為380～500 nm，從圖中380～500 nm波長處的透過率可以看出，色度保持一致時，材料透過率大小排序為：全染料系>染料和顏料混合系>全顏料系。透過率差異大的主要原因見表1，全染料系的粒子直徑一般為1～3 nm，遠小于全顏料系的粒子直徑(20～100 nm)，且全染料系材料可以完全溶解在溶劑中，溶液呈透明狀，不會由于粒子粒徑過大而阻擋和反射背光發出來的光，從而透過率明顯大于全顏料系光刻膠和混合系光刻膠[6]。混合系光刻膠有著一部分染料系光刻膠的優勢，透過率也高于全顏料系光刻膠。

圖1 3種藍色光刻膠材料透過率對比Fig.1 Contrast of three kinds of blue photoresist materials

表1 全染料系與染料和顏料混合系、全顏料系的材料對比Tab.1 Contrast of All Dye Blue,Hybrid Blue,Pigment Blue materials

2.2 穩定性分析

染料分子由有機小分子組成，受熱會分解。在原料合成時，在一定化學反應下將多個染料分子通過化學鍵結構相連接[7-8]，可提高耐熱穩定性，同時在染料分子上接枝官能基也可以提高其耐熱性。表2為3種藍色光刻膠的色度耐熱性實驗分析，測試高溫熱烘對材料色度的影響，色度穩定性越好越有利于產線制作。Bx、By為藍顏色的色坐標。實驗條件為230 ℃，25 min，經過5次熱烘之后，受熱色坐標變化量：全染料系≈全顏料系>染料與顏料混合系。說明此種全染料系的藍色光刻膠受熱色度穩定性良好。

表2 3種藍色光刻膠色度耐熱性對比Tab.2 Thermal stability contrast of three kinds of blue photoresist materials

2.3 色溫改善分析

色溫作為液晶顯示器色彩評價方面的重要指標，很大程度上決定了用戶的感知情況。各個品牌產品對色溫有自己的要求，一般2 700～3 200 K為黃光，4 000～4 500 K為暖白光，6 000～6 500 K為白光，大于6 500 K為冷白光。色溫計算公式為：CCT=437(Wx-0.332)/(0.1858-Wy)3+3601(Wx-0.332)/(0.1858-Wy)2+6831(Wx-0.332)/(0.1858-Wy)+5517，色溫主要受白點坐標(Wx，Wy)影響。

在一款電視產品設計中，客戶要求色溫規格為10 000±1 000 K，實際制作過程中測試白點坐標Wx、Wy為(0.286,0.297)，色溫約8 954 K，略小于客戶規格。使用全染料系光刻膠可以提升藍色像素透過率，白點坐標調整為(0.278,0.280)，色溫調整到10 700 K。藍色透過率的提升對產品白平衡和色溫有著較大改善。

3 應用性評價

3.1 產線工藝性評價

新材料需驗證產線制版性工藝能力。采用全染料系光刻膠在G8.5世代線搭載筆記本電腦產品進行材料工藝性評價測試，根據G8.5代線，設計了符合產線量產的實驗條件，測試中心條件為HP 溫度:90 ℃，100 s；曝光間隙:250 μm；曝光量:40 mJ/cm2；顯影時間:85 s。分別測試評價了像素大小(CD，設計規格55 μm)隨曝光條件及顯影時間的變化關系。表3為全染料系光刻膠搭載一款產品進行的工藝性評價數據。

表3 工藝性評價數據Tab.3 Manufactur ability evaluation data

從圖2、圖3、圖4中可以看出，濾光膜CD(像素大小)隨曝光量、曝光間隙及顯影時間的變化基本成線性關系，CD隨曝光間隙變化幅度為～0.562 μm/10 μm，CD隨曝光量變化幅度為～0.710 μm/10 mJ/cm2，CD隨顯影時間變化幅度為～-0.097 μm/10 s。工藝性與工藝條件成線性關系，產線實際生產時可以通過適當的工藝條件調整改變材料的像素CD，具備產線量產性。

圖2 曝光間隙對像素CD的影響Fig.2 Effect of exposure gap on pixel CD

圖3 曝光量對像素CD的影響Fig.3 Effect of exposure dose on pixel CD

圖4 顯影時間對像素CD的影響Fig.4 Effect of development time on pixel CD

3.2 光照穩定性評價

采用全染料系光刻膠搭載現有RG光刻膠制作成面板之后，連續點亮面板，定期測試記錄面板的藍色色坐標，分別測試了0，7，14，21，28，35 d的藍色色坐標，變化趨勢如圖5所示。從圖5可以看出，采用全染料系光刻膠搭載現有RG光刻膠制作成面板之后，連續點亮面板 35 d，藍色色坐標無明顯變化，說明全染料系應用于液晶顯示器之后光照穩定性較好。

圖5 全染料系藍色色坐標隨光照時間變化趨勢圖Fig.5 Trend of All Dye Blue By on light time

3.3 底切與坡度角評價

彩色濾光膜制備時，由于曝光強度不一致，容易造成像素兩端出現倒梯形的形狀，稱此形貌為(Undercut)。出現底切現象容易造成像素漏光，影響產品顯示品質。底切一般與曝光工藝有關也和材料內部的光起始劑有關。坡度角(Tape)是像素兩端曝光后在遮光層或基板上形成的角。為了在后工序中涂抹平坦層的時候不出現破膜等問題，一般要求彩色濾光膜的坡度角小于60°。由全染料系材料制備的藍色濾光膜的底切和坡度角測試如圖6、圖7所示，該材料無底切現象，坡度角滿足規格。

圖6 試驗像素自動光學檢測圖Fig.6 Automated optical inspection(AOI)of experimental pixel

圖7 全染料系材料坡度角掃描電鏡圖。(a) 21.75°;(b) 27.86°。Fig.7 Scanning electron microscope (SEM) of All Dye Blue material’s tape angle.(a) 21.75°;(b) 27.86°.

3.4 高低溫信賴性評價

采用全染料系材料制成的面板投入信賴性評價，評價內容為：THO(50 ℃，80%RH，老化 240 h)、THO(60 ℃，90%RH，老化 240 h)、THS(60 ℃，90%RH，老化 240 h)、TST-1(-20～60 ℃，per 30 min，100 cycle)。信賴性測試選取5片由全染料系材料制作的成品屏，在上述環境條件下存放12天，點燈測試，屏幕能正常點亮，并且功能性和外觀均無異常，判定全染料系材料制成的面板信賴性良好，通過產品信賴性評價測試。

3.4 光學評價

采用傳統藍色光阻材料和全染料系光阻材料制備成面板之后，在同等Bx色度下對C光和背光下的光學和透過率進行分析。從表4中可以看出，全染料系制成的面板By更接近客戶目標值(客戶規格一般為By0.060)，C光下，By提升約9.39%，背光下透過率提升約3.22%，顯示性能更為優異。

表4 傳統藍色光阻材料和全染料系藍色光阻材料光學評價對比表Tab.4 Optics evaluating contract of Normal Blue and All Dye Blue

4 結 論

本文基于對全染料系材料的原理和實驗分析，對比了全染料系、染料和顏料混合系材料和全顏料系材料的特性、制備成面板后的透過率及色坐標測試。可以看出相較于目前的顏料系和染料和顏料混合系藍色光刻膠，采用全染料系列的光刻膠，C光下藍色光刻膠的單色透過率可以提升約9%，搭配背光源下的面板透過率可以提升約3%。對全染料系材料進行產線工藝性測試，結果無不良發生，特性值變化規律水平與目前量產采用的染料和顏料混合系光刻膠相當。對盒制成面板之后，連續點燈35 d，藍色色坐標無變化，光穩定性較好，高低溫信賴性評價良好，可以應用于液晶顯示器件中。